Hillis werd geboren in Pasadena, Californië, en behaalde zijn bachelordiploma in zoölogie aan de University of California, Berkeley in 1945. Vervolgens diende hij van 1945 tot 1947 bij de Amerikaanse marine. Na zijn militaire dienst keerde hij terug naar Berkeley en ontving zijn diploma master's degree in zoölogie in 1949 en zijn doctoraat in de zoölogie in 1952.
Na het behalen van zijn doctoraat trad Hillis toe tot de faculteit van de Universiteit van Oregon, waar hij de rest van zijn carrière bleef. Hij was van 1953 tot 1993 hoogleraar biologie in Oregon en van 1971 tot 1977 hoofd van de afdeling Biologie.
Hillis' onderzoek richtte zich op de ontwikkeling van Drosophila, en hij deed verschillende belangrijke ontdekkingen op dit gebied. Hij was een van de eerste onderzoekers die elektronenmicroscopie gebruikte om de ontwikkeling van Drosophila-embryo's te bestuderen, en hij hielp bij de ontwikkeling van nieuwe technieken voor het kleuren en snijden van Drosophila-embryo's.
Hillis schreef ook verschillende boeken en artikelen over ontwikkelingsbiologie, waaronder het leerboek "Developmental Biology of Insects" (1972). Hij was lid van de National Academy of Sciences en de American Academy of Arts and Sciences. Hij was ook een fellow van de American Association for the Advancement of Science en de Society for Developmental Biology.
Hillis stierf in 1999 aan kanker in Eugene, Oregon. Hij was 75 jaar oud.